Ingeniería de Recursos Naturales y del

Ambiente

ISSN: 1692-9918

revistaeidenar@univalle.edu.co

Universidad del Valle

Colombia

Villamil Salcedo, Herwin Marcos; Piamba Tulcán, Oscar Edwin

Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración -Refrigerantes alternativos-

Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, núm. 3, 2005, pp. 28-33

Universidad del Valle

Cali, Colombia

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28 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración

- Refrigerantes alternativos -

Herwin Marcos Villamil Salcedo,IngenieroFacultad de IngenieríaDepartamento de Mecánica y MecatrónicaUniversidad Nacional de ColombiaSede Bogotá. Colombia

Oscar Edwin Piamba Tulcán,M.Sc.Facultad de IngenieríaDepartamento de Mecánica y MecatrónicaUniversidad Nacional de ColombiaSede Bogotá. Colombia

RESUMEN

Día a día en medio de muchos de nuestros procesosproductivos se puede observar la necesidad crecientede generar operaciones cada vez menos nocivas conel medio ambiente. En el caso de la Refrigeración y elAire Acondicionado se presenta una necesidad simi-lar, basada en los efectos secundarios que algunas delas sustancias refrigerantes han presentado frente a laproblemática de la capa de ozono. Años atrás, con lafirma del protocolo de Montreal, se buscaron alterna-tivas para disminuir las emisiones del ya conocidorefrigerante R-12, el cual era el más utilizado en laindustria y en aplicaciones domésticas. Para darlerespuesta a esta necesidad DuPont, luego de variasinvestigaciones al respecto, sacó al mercado el HFC-134a, sustancia que podía reemplazar de forma me-nos nociva al R-12. Sin embargo, investigacionesrecientes catalogan al HFC-134a como un refrigerantegenerador de efecto invernadero. En el presente artícu-lo se estudian algunas sustancias que pueden reem-plazar el HFC-134a, obteniendo resultados sobre sus

______________________ * Recibido : Agosto 2005

* Aceptado : Septiembre 2005

Calentamiento Global. Fuente: www.ecoportal.net

Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3 29Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

respectivos ciclos de refrigeración, mediante los cua-les se podra analizar si existe o no la posibilidad deproponer su aplicación como sustancia refrigerante.

PALABRAS CLAVES

Medio Ambiente, Refrigeración y Aire Acondicionado,Capa de Ozono, HFC-134a, CO2, Ciclos de Refrigera-ción, sustancia Refrigerante.

ABSTRACT

We are more and more aware that many of ourproductive processes need to produce less harmfuloperations for the environment. In the case ofrefrigeration and air conditioning there is a similar needconcerning all the problems caused by somerefrigerating substances and in particular those relatedto the ozonosphere. Several years ago the Montrealprotocol searched for new alternatives tending toreduce the emissions of the already known R-12refrigerant which was used the most in industry anddomestic applications. To respond to that need, DuPontafter having done some research on that issue releasedthe HFC-134a, a less harmful substance that couldreplace in way the R-12. Nevertheless, recent researchhas classified the HFC-134a as a refrigerant causingthe greenhouse effect. In the present paper we willstudy some of the substances that could replace theHFC-134a. The results obtained in their refrigeratingcycles could be analyzed in order to find out if there isor not the possibility to apply them as refrigerantsubstances.

KEYWORDS

Environment, Refrigeration, Air Conditioning,Ozonosphere, HFC-134a, CO2, Refrigerating cycles,Refrigerant.

1. INTRODUCCIÓN

En este artículo se realiza un análisis completo decada sustancia propuesta para su implementación enaire acondicionado y/o refrigeración, teniendo en cuentasus propiedades como sustancia, además de lasparticularidades del cálculo, las cuales dependendirectamente de las condiciones de trabajo de cadasustancia, y que contribuyen a la caracterización ysistematización de la determinación de ciclos derefrigeración. A partir de los resultados obtenidospodemos hallar conclusiones importantes para unaposible aplicación de refrigerantes alternativos quepuedan proporcionar mejores, mas eficientes y máslimpias condiciones de trabajo en la aplicación desea-da.

1 STOECKER Wilbert. (1982). “Refrigeration and Air Conditioning. Ed.McGraw Hill.

V.Expansión

Condesador

Compresor

Evaporador

Figura 1 Diagrama P-h R134a, con los elementos quecomponen el ciclo

3. REFRIGERANTES

Un refrigerante se define como “un medio de transmi-sión del calor que absorbe calor al evaporarse a bajatemperatura y lo cede al condensarse a alta tempera-tura y presión”1 . Para que una sustancia refrigerantesea adecuada debe tener ciertas propiedades quími-cas, físicas y termodinámicas, las cuales debengarantizar su aplicación; entre estas propiedadesencontramos2 :

- Baja temperatura de Ebullición- Fácilmente manejable en estado líquido- Alto calor latente de vaporización- No inflamable, no explosivo, no tóxico- Químicamente estable- No corrosivo- Presiones de trabajo moderadas- Fácil detección y localización de perdidas- Inocuo para los aceites lubricantes- Bajo punto de congelación- Alta temperatura crítica- Moderado volumen específico de vapor- Bajo Costo

Herwin Marcos Villamil Salcedo, Oscar Edwin Piamba Tulcán,M.Sc.

2,3,4,5,6,7 DOSSAT Roy. (1981). “Principios de Refrigeraciòn”.

Compañìa Editorial Continental.

2. DIAGRAMA DE CICLOS

En la representación gráfica de un ciclo se puedenobservar simultáneamente todas las propiedades de-seadas en los diferentes cambios que ocurren en lascondiciones físicas del refrigerante durante su trabajo.Los diagramas más utilizados son los de Presión–Entalpía (P-h) y Temperatura – Entropía (T-S). Estosdiagramas nos dan la condición del refrigerante encualquier estado termodinámico, en particular si seconocen dos propiedades cualesquiera del estado delrefrigerante. A continuación se presenta como ejem-plo el diagrama P-h del refrigerante HFC 134a, con losrespectivos componentes del ciclo de refrigeración:

30 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

3.1 Clasificación de las Sustancias Refrigerantes

La clasificación de los refrigerantes se realiza deacuerdo con su naturaleza, aunque es común identi-ficarlos por medio de un número3 . Los refrigerantesindustriales se clasifican como se explica a continua-ción.

3.1.1 Hidrocarburos Halogenados

El grupo de los hidrocarburos halogenados comprenderefrigerantes que contienen uno o más de los treshalógenos: Cloro, Fluor y Bromo. La designaciónnumérica, el nombre químico y la fórmula química delos miembros de este grupo utilizados comercialmen-te se dan en la tabla 1.

Tabla 1 Designación de Refrigerantes. Norma SHRAE.Stoecker. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire.

1982.

3.1.2 Mezclas Azeotrópicas

Una mezcla azeotrópica de dos sustancias es unamezcla que no se puede separar en sus componentespor destilación. Una mezcla azeotrópica se evapora ycondensa como una sustancia simple, con propieda-des que son diferentes de las de sus constituyentes.La única mezcla azeotrópica comercial es el refrige-rante 500, el cual es una mezcla de R-12 y R152a enuna proporción de 73.8% a 26.2% en peso respectiva-mente. 4

3.1.3 Hidrocarburos

Algunos hidrocarburos se utilizan como refrigerantes,especialmente en las industrias del petróleo ypetroquímica. Estos refrigerantes se relacionan a en latabla 2 5 :

Tabla 2 Designación de Refrigerantes. Norma SHRAE.Stoeckert. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire.

1982.

3.2.4 Compuestos Inorgánicos

Muchos de los refrigerantes primitivos eran compues-tos inorgánicos, algunos de los cuales siguen usándo-se actualmente se relacionan en la tabla 36 :

Tabla 3 Designación de Refrigerantes. Norma SHRAEStoecker. Refrigeración y Acondicionamiento de Aire.

1982.

3.2.5 Sustancias Orgánicas No Saturadas

Dos refrigerantes raramente usados son compuestosorgánicos no saturados; el refrigerante 1150 etileno yel 1270 propileno7 .

3.2 Refrigerantes Usados En Aire AcondicionadoY Sustancias Alternativas

Durante muchos años el refrigerante más utilizado fueel Diclorodifluorometano (R-12). Esta sustancia yotros dos CFC, el R-11 y el R-22, eran los principalescompuestos empleados en sistemas de enfriamiento.Sin embargo, en el año de 1974 científicos de laUniversidad de California sugirieron que los CFC po-drían desempeñar un papel fundamental en la destruc-ción de la capa de Ozono. Para el año de 1987 con lafirma del Protocolo de Montreal se prohibe el uso yproducción de CFC, halones, CTC y metil cloroformo,determinando plazos para la destrucción de dichassustancias. La alternativa utilizada desde Montrealhasta nuestros días ha sido el HFC-134a, refrigerantedesarrollado por la empresa norteamericana DuPont.Lamentablemente posee un alto potencial de efectoinvernadero. En un intento por generar sistemas derefrigeración que no conlleven problemas ambientales,se ha incentivado la búsqueda de sustancias de buendesempeño como refrigerantes. Algunas de estassustancias ya se pueden encontrar en el mercado:Isobutano, Amoniaco, Dióxido de Carbono y algunoshidrocarburos naturales o mezclas de ellos.

3.3 Refrigerantes a Analizar y sus propiedades

Las sustancias que se describen a continuación seproponen como alternativas en refrigeración y aireacondicionado con base en la actual problemáticamedio ambiental.3.3.1 El R-134ª (Hidrocarburo Halogenado)

Esta sustancia refrigerante fue desarrollada, como semencionaba anteriormente, con el fin de reemplazarsustancias como el R-12 y R22, causantes de proble-

Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración refrigerantes alternativos

8,9,10,11,12,13,14 Air Liquide S.A. Paris.Francia. www.airliquide.com.fr

Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3 31Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

3.3.2 El Amoniaco NH3

Este compuesto inorgánico se obtiene a partir de laproducción de ácido nítrico. Sus aplicaciones máscomunes se encuentran en el monitoreo de emisionesde mezclas de gases y en analizadores de impurezas.También es utilizada para reemplazo de compuestosclorofluorcarbonados en algunos equipos de refrigera-ción. 9

3.3.3 El Dióxido de Carbono CO2

El Dióxido de Carbono se produce a partir de lacombustión de carbón o hidrocarburos, en fermenta-ción de líquidos y en la respiración de humanos yanimales. 10

La característica más importante de esta sustancia essu ciclo transcrítico, en el que la zona de alta presiónse ubica por fuera del domo, tal y como se aprecia enla Figura 2.Cabe mencionar que las presiones que manejan vande 40 Bar en baja y 100 Bar en alta.

Figura 2 Diagrama P-h R134a, con los elementos quecomponen el ciclo

3.3.4 Hidrocarburos Refrigerantes

Para completar la selección de sustancias que aquí seproponen como refrigerantes alternativos a continua-ción se muestran algunos hidrocarburos con propieda-des favorables para el trabajo de refrigerante:a. Etano: El etano es un hidrocarburo utilizado en lamanufactura de productos químicos intermedios pro-venientes de procesos con cloro. 11

b. Propano (n-Propane; Dimethylmethane): ElPropano es utilizado para el monitoreo de emisionescontaminantes, en procesos de monitoreo de higieneindustrial y desde hace algunos años como combus-tible para motores de carburación, actividad que ac-tualmente se encuentra en investigación y desarrollo.Este gas puede también ser utilizado como combus-tible de analizadores de absorción atómica. 12

c. Butano: Este gas es utilizado en calibración demezclas de gas en la industria petroquímica, enmonitoreo de emisiones, en analizadores de impure-zas, puede servir como combustible en procesos deespectrometría por absorción atómica y sirve comopropelente para la producción de aerosoles. 13

d. Isobutano (Trimethylmethane; 1,1-Dimethylethane; 2-Methylpropane; iso-butane;i-butane): Esta sustancia tiene aplicación en Rayos X,en la industria química en ionización de masa, paramezclas con otros hidrocarburos, en la industria delcarbón en su manufactura, en el monitoreo de emisio-nes en la industria petroquímica y en analizadores deimpurezas en el campo de la higiene. 14

4. CÁLCULO DE LOS CICLOS DEREFRIGERACIÓN PARA LAS SUSTANCIAS

PROPUESTAS

Para concluir este artículo, se realizaron los cálculosde las variables más importantes en el diseño del ciclo.Para la determinación de dichos valores se partió dela observación del diagrama P-h de cada refrigerante.Simultáneamente se dibujó un ciclo normal y uno quefuera un poco más extenso en la línea de alta presión,con el fin de lograr un efecto refrigerante neto mayor yelevar un poco la eficiencia del ciclo. De esta forma enlos datos que se indican a continuación se encontra-rán dos efectos refrigerantes netos y dos eficiencias.Se debe tener en cuenta que si se hace más largo elciclo, en el diseño se debe incluir un nivel de enfria-miento adicional a la salida del condensador con el finde disminuir la temperatura a la salida.

Herwin Marcos Villamil Salcedo, Oscar Edwin Piamba Tulcán,M.Sc.

15,16,17,18,19 CARDENAS Serrato Efrain. (2004). “Comportamiento del

R134a en Aire Acondicionado Automotriz”. Universidad Nacional de Colombia.

mas ambientales. Es también un propelente para elaerosol y un agente de soplado para el procesamientodel poliestireno. 8

.

32 Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

4’. Entrada Expansión

1. Entrada Evaporador

1’. Entrada Evaporador

4. Entrada Expansión

2. Entrada Compresor.

3. Entrada Condensador

Figura 3 Caracterización Ciclo de Refrigeración SobreDiagrama P vs. h

El ciclo de refrigeración se compone de cuatro puntos.El punto 1 representa la entrada del fluido al evaporador,en este punto el fluido refrigerante se encuentra en unestado de líquido-vapor saturado. Del punto 1 se pasaal 2 a través del evaporador, el cual transforma el fluidoa vapor saturado (al evaporarlo). Luego se sube por unalínea isentrópica, mediante la cual se pasa por elcompresor, el cual eleva la presión y la temperatura dela sustancia convertida en vapor saturado. Se Llega alpunto 3, en el cual se encuentra a presión y tempera-tura alta. Se avanza del punto 3 al 4 pasando por elcondensador, el cual cumplirá la función de reducir latemperatura del fluido y llevarlo a liquido saturado peroa una alta temperatura, por lo cual es necesario que sebaje la temperatura del fluido a través de una válvula deestrangulamiento, la cual llevará al fluido a la tempera-tura y presión de baja y lo dejará listo para iniciar denuevo el ciclo. Si se observa podemos ver que existeun punto 1’, si se hace que nuestro ciclo llegue a estepunto y se baje verticalmente hasta cortar la línea delíquido saturado en el punto 4’, se puede mejorar elefecto del ciclo debido a un aumento en eficiencia y enefecto refrigerante neto.

4.2 Relaciones Matemáticas del Ciclo de Refrige-ración

Para un mejor entendimiento del ciclo se presentan lasecuaciones que lo describen y que son herramientaclave para el análisis de los resultados obtenidos:

(1) 15

- Trabajo del Compresor: Se define como la dife-rencia de entalpías entre los puntos 3 y 2.

(2) 16

- Coeficiente de Prestación (COP): Es el coeficienteentre el efecto refrigerante neto y el trabajo del compre-sor.

(3) 17

- Eficiencia del Ciclo ( ) - La eficiencia estarádada por el producto entre el COP y la diferencia detemperatura de condensador y evaporador sobre tem-

(4) 18

- Flujo másico del refrigerante: Se define como larelación entre el valor de la carga de refrigeraciónobtenida y la diferencia de entalpías en el evaporador.

(5) 19

Para la determinación de un flujo másico aproximadoen cada sustancia, se tomará una carga promedio derefrigeración de 3 hp ó 2237.1 W, esto con el fin dehacer comparable el flujo másico a utilizar con un valorde carga muy común dentro de los sistemas frigoríficoscomunes.

5. RESULTADOS OBTENIDOS PARA LAS SUS-TANCIAS PROPUESTAS

Los resultados de las variables del ciclo de refrigera-ción parten de las propiedades obtenidas a partir deldiagrama P-h, de puntos definidos por presión y

Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración refrigerantes alternativos

4.1 Modificaciones propuestas al Ciclo de Refri-geración

- Efecto Refrigerante Neto (ERN): Se define comola diferencia de entalpías entre los puntos 1 y 2 en loscuales se ubicará el evaporador, de tal forma que estaecuación describa la capacidad de enfriamiento delhabitáculo de vehículo por parte del evaporador.

Tabla 4 Resultados Cálculo Ciclo Refrigerantes Propuestos

Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente, Volumen II, No. 1 - Edición No. 3 33Facultad de Ingeniería «EIDENAR»

6. CONCLUSIONES

-A pesar de que en el caso del CO2 se manejan

presiones muy altas, se guarda la proporción entredichos valores y la relación de compresión se ubica pordebajo de la del R134a, por lo cual el montaje de unciclo de CO

2 es una alternativa que requiere baja

potencia y trabajo del compresor para producir unefecto refrigerante alto.-En el caso del amoniaco, se podría alcanzar el mejorefecto refrigerante con el menor flujo másico, aunqueel gasto del trabajo del compresor sería el más altoentre todos.-Los resultados obtenidos por el R134a muestran a unrefrigerante de bajo perfil frente a los alternativos, conun efecto refrigerante y un coeficiente de operacióninferiores, con el mayor flujo másico para la cargaestablecida y con la mayor relación de compresión.Sin embargo, se hace necesario observar propiedadesde la sustancia requeridas en un refrigerante, lascuales lo mantendrían como una fuerte opción, ya quecomo se sabe en el caso del CO

2 el problema es el

manejo de altas presiones, en el amoniaco radica enla alta toxicidad y en el de los hidrocarburos lainflamabilidad.-El efecto de aumentar la eficiencia del ciclo con lamodificación realizada al aumentar el enfriamiento delrefrigerante cuando se encuentra en el condensador yque implica la implementación de un sistema auxiliarde enfriamiento genera una oportunidad sustentada enel mejoramiento del efecto refrigerante neto y, porende, de la eficiencia del ciclo.-La descripción realizada permite caracterizar teórica-mente cada una de estas sustancias, las cuales semuestran como posibles sustitutos del actual refrige-rante 134ª. Se spera que la sugerencia de laimplementación que se estudia en este artículo puedagenerar interés en la investigación de dichas sustan-cias con el fin de reemplazar al R134a y mejorar eldesempeño de los sistemas de refrigeración y aireacondicionado en todas sus aplicaciones.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Air Liquide s.a. paris.francia. www.airliquide.com.frashrae. (1967). “ashrae guide and data book”.Cárdenas Serrato Efraín. (2004). “comportamiento

del r134a en aire acondicionado automotriz”.Universidad Nacional de Colombia.

Clasificación de los Gases Refrigerantes. gas serveis.a. www.caloryfrio.com

Deere John. “fuels, Lubricants and Coolants JohnDeere”.

Herwin Marcos Villamil SalcedoIngeniero Mecánico, UniversidadNacional de Colombia. 2005 Bogo-tá, Colombiahmvillamils@unal.edu.co

Oscar Edwin PiambaTulcán,M.Sc.Ingeniero Mecánico, UniversidadNacional de Colombia. 1997,Magíster Ingeniería Mecánica, Uni-versidad de los Andes. 2000. Es-pecialista en Ciencias Físicas, Uni-versidad Nacional de Colombia.2004 Bogotá, Colombiaoepiambat@unal.edu.co

Herwin Marcos Villamil Salcedo, Oscar Edwin Piamba Tulcán,M.Sc.

Dossat Roy. (1981). “Principios de Refrigeración”.Compañía Editorial Continental.

Fisher Roger. (1992). “Aire Acondicionado y Refri-geración, Reparación y Mantenimiento”. ed.mcgraw hill.

Lienhard J. (2001) “Heat Transfer Textbook”.Massachusetts Technologic Institute. thirdedition.

Marsh W. (1982) “principios de refrigeración”. ed.diana.

Mcquiston F. (1994). “heating ventilating and airconditioning, analysis and design”. ed. wiley.

Moisés Á. 01/06/2002. república dominicana.www. geoc i t i es . c om / m _a l v a r ez _do /refrigerantes_naturales.html

Schweitzer G. (1975). “Curso completo de AireAcondicionado”. ed. centro regional de ayudatécnica.

Stoecker W. (1982). “refrigeration and airconditioning. ed. mcgraw hill.

The Automotive air Conditioning Information Server.www.aircondition.com

Universidad Carlos iii de Madrid. departamento deIngeniería Térmica y de Fluidos. http://bicho.uc3m.es

Universidad de Málaga España. Escuela técnicaSuperior de Ingenieros Industriales de la Univer-sidad de Málaga. http://www.etsii.uma.es/.

Universidad Técnica de Dinamarca. www.et.dtu.dk/coolpack/

AUTORES

temperatura en alta y baja. Adicional a esto se mon-taron los respectivos resultados del ciclo modificado,es decir, con el nivel de enfriamiento adicional a lasalida del condensador para llevar el refrigerante a lalínea de líquido saturado. (Tabla 4).